東北地理所在“空天地”一體化框架下松嫩草地AGB評估取得新進展
草地地上生物量（AGB）是表征草地生產力、生態健康狀況及退化程度的核心指標，也是科學制定草畜平衡政策和生態補償方案的關鍵依據。松嫩平原是我國重要的農牧交錯帶，受長期放牧干擾與土壤鹽堿化影響，該區域草地退化嚴重，景觀破碎化顯著，空間異質性強烈。在此復雜環境下，如何基于有限的地面樣本實現大范圍的AGB精準監測，并定量評估預測結果的可信度，是當前草地遙感研究面臨的重要挑戰。
針對這一問題，東北地理所鹽堿地資源與利用學科組構建了“空-天-地”一體化的草地AGB監測技術框架。研究區選擇具有代表性的吉林西部蘇打鹽堿化草地，該框架以地面樣方調查（地）為精度基準，以無人機高分辨率影像（空）為空間標定與過渡橋梁，以Landsat 8和Sentinel-2多源衛星遙感（天）為大范圍數據源，通過三級數據的嚴格配準與協同，實現了從樣點到區域尺度的精度傳遞。
在具體實施中，團隊基于吉林西部49個樣地的245個樣方（圖1）的地面調查數據，引入無人機影像對樣地邊界進行精確標定，并采用面積加權聚合算法校正樣地與衛星像元之間的空間錯位，有效降低了混合像元對光譜特征提取的影響。在此基礎上，研究利用Landsat 8和Sentinel-2衛星影像計算了22種植被指數，結合偏最小二乘回歸（PLSR）、彈性網絡回歸（ElasticNet）和隨機森林（RF）三種建模方法，系統構建了“單源基線”、“特征級融合”（多源植被指數聯合建模）和“決策級融合”（基于權重對單源模型預測結果進行線性加權組合）三種建模策略，并通過網格搜索與留一法交叉驗證優化模型超參數（圖2）。
圖 1 中國吉林省西部草原及采樣地塊的空間分布
圖2 吉林省西部草原生物量分布及空間不確定性制圖工作流程
研究結果表明，在單源數據條件下，Sentinel-2的估算性能顯著優于Landsat 8，最優模型決定系數（R2）達到0.78；多源融合策略進一步提升了模型的精度與穩定性，其中決策級融合表現最佳，R2提升至0.81，且均方根誤差與平均絕對誤差相比最優單源模型分別降低約7%～11%。分析認為，Landsat 8與Sentinel-2雖同屬光學傳感器且光譜信息存在部分重疊，但二者在空間分辨率、光譜響應和成像時相上的差異形成了互補性預測偏差，決策級融合通過加權整合有效利用了這一互補性，避免了特征級融合中可能出現的特征冗余問題。在空間制圖方面，研究團隊基于最優融合模型生成了研究區30 m分辨率的AGB空間分布圖，并引入Bootstrap自助法（重復采樣50次）逐像元計算預測標準差，首次在該區域實現了像元級空間不確定性的定量表征（圖3）。結果表明，高不確定性區域主要集中于鹽堿地邊緣、景觀過渡帶及地面采樣稀疏區，這一發現為后續優化采樣設計、識別生態風險區域提供了明確的空間指引。
圖3 吉林西部草原地區地上生物量和不確定性估算值的空間分布
該研究構建的空天地一體化監測框架充分發揮了多尺度數據協同的優勢—地面數據保障精度，無人機數據提升空間一致性，多源衛星數據實現大范圍覆蓋。研究所形成的多源遙感融合與不確定性量化方法體系，不僅為吉林西部退化草地的精準管理和生態補償提供了高分辨率數據基礎和風險預警工具，也充分驗證了空天地一體化框架在復雜生態區監測中的可行性與有效性，具備向其他退化生態系統推廣應用的價值。
研究成果以“Mapping Aboveground Biomass and Spatial Uncertainty in Temperate Grasslands Using Landsat 8 and Sentinel-2 Imagery”為題，近期發表在國際期刊《Land Degradation & Development》上，研究生張禧鳳為第一作者，中國科學院東北地理所在職博士后徐璐和馬紅媛研究員為共同通訊作者。研究得到國家重點研發項目(No.2022YFF1300601)、國家自然科學聯合基金(No.U23A2004)等項目的共同資助。
論文鏈接：http://dx.doi.org/10.1002/ldr.70689
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